压力下铁砷基化合物的超导电性研究

随着高压实验设备与技术的不断发展,压力作为对物质状态调控的独立变量在凝聚态物理研究中得到了越来越广泛的应用.高压研究对发现新材料、新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了不可替代的重要作用,近年来在对铁基超导体超导电性的高压研究中取得的诸多重要研究进展充分说明了这一点.本文简要介绍了在压力下铁砷基超导体中呈现出的一些有趣的物理现象及其所反映出的物理内涵,例如,压力下对1111体系超导电性的研究在指导常压下用小离子半径元素替代获得最高超导转变温度的铁砷基超导体和推测铁砷基超导体超导转变温度上限等方面起到了重要作用;压力可抑制122体系母相的磁有序进而诱发超导电性,并揭示出Eu-122体系中Eu离子插层的磁有序与FeAs层超导电性的关系;在新型铁砷基超导体Ca_(0.73)La_(0.27)FeAs_2中发现的压致双临界点现象等.希望本文能对读者了解铁砷基超导体的高压研究进展情况有所帮助.     

高压下富氢化合物的结构与奇异超导电性

在富氢化合物中,一方面由于非氢元素的存在会对氢的子晶格产生化学预压作用,这些体系比纯氢更容易金属化.另一方面由于含氢量较多,富氢化合物可能会具有像金属氢那样较高的超导转变温度,有望成为超导家族的新成员—–氢基超导体.高压下富氢化合物的结构及超导电性已成为物理、材料等多学科的研究热点,最近理论和实验发现硫氢化合物在高压下的超导转变温度达到200 K,创造了高温超导新纪录,进一步推动了人们对富氢化合物超导电性的研究.本文主要介绍了近年来高压下几种典型富氢化合物的结构、稳定性、原子间相互作用、金属化及超导电性,希望未来能在富氢化合物中寻找到具有更高超导转变温度的超导体.     

强关联电子系统超导电性的高压研究

具有强关联电子特性的凝聚态系统中,电子间的强关联性主导系统的宏观量子特性。这类系统具有电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等多重自由度,这些自由度强烈耦合,产生复杂的多体相互作用,导致系统出现丰富奇异的量子现象,如非常规超导电性、庞磁电阻、金属-绝缘体转变、拓扑量子相变等。其中,非常规超导体的研究于近几十年取得了不少进展,例如发现了铜氧化物高温超导电性和铁基超导体,然而导致非常规超导电性的原因,尤其是对高温超导电性的机理认识目前尚不清楚,非常规超导机理一直是凝聚态物理研究领域中最具挑战性的问题之一。为此,简要介绍了近年来我们通过高压实验手段在重费米子超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体这3类主要的非常规超导体研究中取得的进展、发现的新现象以及反映的新物理机理,包括磁性和超导电性的演化关系、价态变化对超导电性的影响、铜氧化物的普适压力相图等,旨在提供非常规超导体在高压研究方面的一些实验新进展,以期为更好地理解非常规超导的微观机理提供压力维度下的一些信息。     

高压下二元富氢超导体的实验研究进展

自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来,人们不断努力提高超导转变温度,室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中,铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB₂超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知,也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近,理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力,成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是,高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度,引领了富氢化合物的研究热潮,涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展,从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体：间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体,总结出一些影响超导转变温度的普适规律,并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

压力下碱金属铁硒基超导体中的现象与物理

在凝聚态物理研究中, 压力作为对物质状态调控的独立变量得到了广泛的应用. 压力对发现物质的新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了重要的作用, 尤其在超导电性的研究中取得了巨大的成功. 文章简要的介绍了通过利用压力手段对具有相分离结构的碱金属铁硒基超导体A_xFe_2-ySe₂ (A=K, Rb, Tl/Rb)开展的系列研究所取得的实验结果, 以及其他一些文献中报道的在此方面的主要实验与理论研究工作, 包括压力导致的超导再进入现象和其产生的量子临界机理、其特有的反铁磁绝缘体相在该类超导体实现超导电性中的作用、化学负压力对超导电性的影响、构成该类超导体的反铁磁序与其寄居的超晶格的关系等.     

高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模

作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体,具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注.由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质,拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难,为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向.时至今日,人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM.实验发现,铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰,具有很好的应用前景.拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一.本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展.在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上,本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为;借助波函数、准粒子中毒等实验,解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制;结合现有马约拉纳理论,深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量.最后,本文采用"从量子物理到量子工程"的视角,综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性,为未来潜在的工程应用提供有益指导.本文以物理原理为线,注重理论与实验结合,旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁,帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.     

抵御大变形超导体的发现

超导体在压力的作用下会产生原子间距的缩小,进而导致晶格参数的改变,甚至能使其原子排列规律变化,引发结构相变.超导体的超导电性是一种演生现象,是由超导体中所包含的电荷、自旋、轨道、晶格等多种相互作用的自由度所决定的.因此,当超导体在外部压力作用下发生晶体结构的变化,通常都会引起超导电性的改变,尤其超导转变温度的变化.本文介绍近年发现的一类能够抵御大变形的超导体(robust super-conductivity against volume shrinkage, RSAVS)——这类超导体在压力作用下,即使发生很大的体积压缩,其超导转变温度仍保持不变.这种奇异的能抵御压缩变形的稳定超导电性最初是在对高熵合金的高压研究中观察到的,后续研究发现在广泛应用的商业化NbTi合金以及Nb, Ta等金属元素超导体中也具有这种可抵御大变形的超导电性.分析结果显示,这类超导体都具有体心立方晶体结构,并由过渡族金属元素构成.这种超导体的发现为统一理解“什么因素决定了超导体的超导转变温度?”这一关键问题提出了新的研究课题和挑战.     

量子材料大观园(3)

鹊桥仙·二月听风梅声唱晚,金陵散懒。新雨随风迷漫。早春颐指紫金山,十里峻、浮香浅浅。碧池弄暖,珠林晓涧。又是烟霞舒卷。路边桃李上寒枝,道不尽,韶华看惯。Ⅺ.铁基超导体的奇特磁结构高温超导(包括铁基超导)电子配对机制是超导物理的核心,这让多少人魂牵梦绕几十年。除了最近有很强的声音声称铜基和铁基高温超导依然是BCS机制占主导外,自旋涨落导致铁基超导配对也是一种声音,虽然超导电性跟磁性从来就不是一路人。所以,铁基超导中磁性和磁结构研究一直是被寄予厚望的主流,甚至超越对超导态本身的关注。毕竟,将超导态与磁性联系起来,是超越BCS之外的新物理。     

铁基超导体系基于电子关联强度的统一相图

铁基超导和铜基超导具有诸多相似性,这为建立统一的高温超导机理图像提供了可能性.然而,对铁基超导体系中无论是进行电荷掺杂、还是等价掺杂来改变化学压力,都能产生定性上类似、而细节上纷繁复杂的相图,这对建立统一的图像造成了困难.研究化学掺杂效应如何在微观上影响电子结构和超导电性,区分主导超导电性演化的主要因素和次要因素,对建立统一图像和揭示高温超导机理至关重要.本文综述了对铁基超导体系中化学掺杂效应的一系列角分辨光电子能谱研究,涵盖了基于FeAs和FeSe面的多种代表性铁基超导体系,包括异价掺杂、等价掺杂、在元胞不同位置的化学掺杂,及其对电子体系在费米面结构、杂质散射、电子关联强度等方面的影响.实验结果表明：电子关联性或能带宽度是多个铁基超导相图背后的普适参数,不同的晶格和杂质散射效应导致了并不重要的复杂细节,而费米面拓扑结构与超导电性的关联并不强.这些结果对弱耦合机理图像提出了挑战,并促使人们通过局域反铁磁交换作用配对图像在带宽演化层面上统一地理解铁基超导.     

高压下富氢高温超导体的研究进展

近年来,高压强极端条件下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点目标材料体系.该领域目前取得了两个标志性重要进展,先后发现了共价型H3S富氢超导体(Tc=200 K)和以LaH10(Tc=260 K,–13℃),YH6,YH9等为代表的一类氢笼合物结构的离子型富氢超导体,先后刷新了超导温度的新纪录.这些研究工作燃发了人们在高压下富氢化合物中发现室温超导体的希望.本文重点介绍高压下富氢高温超导体的相关研究进展,讨论富氢化合物产生高温超导电性的物理机理,展望未来在富氢化合物中发现室温超导体的可能性并提出多元富氢化合物候选体系.     

高压下氢基高温超导体研究的新进展

富氢材料被认为是室温超导体的最佳候选体系,是物理学、材料科学等多学科的热点研究领域之一。理论和实验研究发现的新型共价氢化物H3S和笼状氢化物LaH10的超导转变温度(T_c)均超过200 K,进一步推动了对富氢化合物超导电性的探索。最近,通过高压实验合成的碳质硫氢化物在288 K的室温下实现了零电阻,让人们看到了室温超导的曙光。本文结合课题组在此领域的主要成果,介绍了3类典型富氢化合物的结构及超导特性,包括近期首次在层状氢化物中发现的具有类五角石墨烯结构的富氢超导体HfH₁₀,其超导转变温度高达213~234 K。     

高压下氢基超导体的研究进展

实现室温超导一直是人们长期追寻的梦想,寻找和合成出具有室温超导性的新材料已成为 凝聚态物理学家和材料物理学家的“圣杯”。近年来,随着理论和实验相继发现超导临界温度高于 200 K 的 H3S 和 LaH10,氢基超导体已逐渐成为实现室温超导的最佳候选,成为物理学、材料科 学等多学科研究的热点领域之一。在本文中,我们将概述超导材料的发展历史和几种典型超导材 料,重点介绍当前高压下氢基超导体的研究进展及面临的挑战,详细讨论中低压力范围氢基高温 超导体的设计思路,展望氢基超导体在低压甚至常压下实现高温乃至室温的可能性。     

Neutron scattering studies on heavy-fermion superconductors

We review recent neutron scattering studies on uranium-based heavy-fermion superconductors. The coupling between magnetic and superconducting order parameters was observed in UPt₃, UPd₂Al₃, URu₂Si₂, and UNi₂Al₃. In UPd₂Al₃, the superconducting gap appears in the spin excitation spectra. These results are indicative of the strong interplay between magnetism and superconductivity. We also report the unusual behaviors of the weak antiferromagnetic ordering, the long-range magnetic correlation in UPt₃ at ultra-low temperatures, and the pressure-induced magnetic transition from the weak (0.02μ_B/U) to a high moment state (0.4μ_B/U) at 1.5 GPa in URu₂Si₂.     

Mössbauer effect studies of magnetism in superconducting systems

The applications of Mössbauer spectroscopy to studies of superconductivity are reviewed. with an emphasis on magnetic properties. Important contributions utilizing this technique have included studies of spin-lattice relaxation rates for magnetic impurities as a measure of magnetic pair-breaking effects, studies of magnetic ordering and its relationship to superconductivity in ternary superconductors such as the Chevrel phase, Re-Rh₄B₄ and oxide superconducting compounds, evaluation of crystal field ground states for magnetic ions, and studies of substitutional sites and the role of impurities on superconductivity in the high temperature superconductors.     

Universal behavior of the upper critical field in iron-based superconductors

The newly discovered iron-based high temperature superconductors have demonstrated rich physical properties. Here we give a brief review on the recent studies of the upper critical field and its anisotropy in a few typical series of the iron-based superconductors (FeSCs). In spite of their characters of a layered crystal structure, all the FeSCs possess an extremely large upper critical field and a weak anisotropy of superconductivity, being unique among the layered superconductors. These particular properties indicate potential applications of the FeSCs in the future. Based on the experimental facts of the FeSCs, we will discuss the possible mechanisms of pair breaking in high magnetic fields and its restrictions on the theoretical analysis of the superconducting pairing mechanisms.